PT2132866E - Linear machine having a primary part and a secondary part - Google Patents
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Abstract
Description
ΡΕ2132866 1ΡΕ2132866 1
DESCRIÇÃO "MÁQUINA LINEAR COM UMA PARTE PRIMÁRIA E UMA PARTE SECUNDÁRIA" 0 invento diz respeito a uma máquina linear composto por uma parte primária que exibe várias bobinas primárias anulares, dispostas de preferência concentricamente em torno de um eixo, separadas umas das outras por elementos intercalares e por uma parte secundária que exibe por várias bobinas secundárias constituídas por enrolamentos supercondutores, dispostas axialmente de modo a sucederem-se umas às outras com alternância da polaridade e alimentadas com corrente continua, gerador linear esse em que uma das partes referidas é móvel em relação à outra paralelamente ao eixo referido e em ambos os sentidos deste.DESCRIPTION " LINEAR MACHINE WITH A PRIMARY PART AND A SECONDARY PART " The invention relates to a linear machine composed of a primary part which exhibits several annular primary coils, preferably arranged concentrically about an axis, separated from each other by intercalations elements and by a secondary part which exhibits by several secondary coils constituted by superconducting windings, arranged axially so as to succeed each other with polarity alternation and fed with direct current, a linear generator in which one of said parts is movable relative to the other parallel to said axis and in both directions thereof.
Em DE 195 42 551 Al foi dado a conhecer um motor linear composto por uma parte primária cilíndrica oca que exibe bobinas anulares concentricamente dispostas em torno de um eixo de movimento de uma parte secundária, as quais podem ser alimentadas com corrente multifásica. Entre as bobinas primárias encontram-se dispostos discos anulares em material magnético macio, os quais servem de elementos intercalares para efeito da separação de bobinas primárias sucessivas e constituem dentes magnetizáveis, a fim de reforçar o fluxo magnético e de conduzi-lo para o receptáculo 2 ΡΕ2132866 onde se encontra disposta a parte secundária. As bobinas primárias e os discos anulares encontram-se alojados numa culatra cilíndrica oca em material magnetizável que constitui um retorno magnético. A parte secundária é passível de deslocamentos axiais no interior do receptáculo formado pela parte primária. A parte secundária exibe diversos indutores de um campo magnético com enrolamentos supercondutores dispostos axialmente de modo a sucederem-se uns aos outros com alternância da polaridade. Em DE 195 42 551, os campos magnéticos dos enrolamentos secundários são suposta-mente perpendiculares ao eixo da parte secundária. Para que seja estabelecida esta orientação do campo com bobinas constituídas por enrolamentos, o eixo de cada uma das bobinas individuais percorridas por uma corrente eléctrica tem de ser perpendicular ao eixo de movimento do motor linear. Somente quando são utilizados imanes permanentes ou imanes constituídos por sólidos supercondutores é possível dispô-los, por via da sua superfície periférica interna, adjacentemente a uma culatra em material magentizável. Estes imanes são neste caso configurados em forma de anéis, mas radialmante magnetizados. No caso de bobinas secundárias constituídas por enrolamentos tem de ser escolhida uma disposição das mesmas sobre a superfície externa da parede lateral do corpo de suporte tal que as mesmas fiquem deslocadas umas em relação às outras segundo as direcções circun-ferencial e axial. As forças magnéticas geradas quando as bobinas primárias e secundárias são alimentadas com corrente eléctrica dão origem a um movimento relativo entre as partes primária e secundária. 3 ΡΕ2132866DE 195 42 551 A1 discloses a linear motor comprising a hollow cylindrical primary part which exhibits annular coils concentrically disposed about a movement axis of a secondary part, which can be fed with multiphase current. Between the primary coils are disposed annular discs in soft magnetic material which serve as intercalary elements for the purpose of separating successive primary coils and constitute magnetizable teeth in order to reinforce the magnetic flux and to lead it to the receptacle 2 ΡΕ2132866 where the secondary part is arranged. The primary coils and annular discs are housed in a hollow cylindrical breech in magnetizable material which forms a magnetic return. The secondary part is capable of axial displacements within the receptacle formed by the primary part. The secondary part exhibits several inductors of a magnetic field with superconducting windings arranged axially so as to succeed each other with alternating polarity. DE 195 42 551, the magnetic fields of the secondary windings are supposed to be perpendicular to the axis of the secondary part. In order to establish this orientation of the field with coils consisting of windings, the axis of each of the individual coils driven by an electric current must be perpendicular to the axis of motion of the linear motor. Only when permanent magnets or superconducting solid magnets are used can it be arranged, via its inner peripheral surface, adjacent to a yoke in magnetizable material. These magnets are in this case configured in the form of rings, but radially magnetized. In the case of winding secondary coils an arrangement thereof must be chosen on the outer surface of the side wall of the support body such that they are displaced relative to one another in the circumferential and axial directions. The magnetic forces generated when the primary and secondary coils are fed with electric current give rise to a relative movement between the primary and secondary parts. 3 ΡΕ2132866
Em EP 1 465 328 Al foi dado a conhecer um motor linear em que as partes primária e secundária se encontram dispostas de modo inverso por forma a que a parte secundária se situe exteriormente, envolvendo a parte primária. A magnetizabilidade dos dentes em material magnético macio é limitada em virtude da ocorrência de uma saturação magnética do material magnético macio. A fim de se alcançar, quando de densidades de corrente elevadas nas bobinas da parte primária, densidades de força mais elevadas entre as partes primária e secundária foi proposto que fosse aumentado o número de voltas dos enrolamentos constituintes das bobinas primárias ou que fosse aumentada a quantidade de material magnetizável. Uma vez tomadas estas medidas, puderam ser obtidas, no caso de motores lineares tubulares ou polissolenoidais e num estádio experimental, densidades de força até cerca de 8 N/cm2. Aliás, a dimensão total e o peso do motor linear têm de ser significativamente aumentados para o efeito.EP 1 465 328 A1 discloses a linear motor in which the primary and secondary parts are arranged in an inverse manner so that the secondary part is located externally, surrounding the primary part. The magnetizability of the teeth in soft magnetic material is limited by virtue of the occurrence of a magnetic saturation of the soft magnetic material. In order to achieve higher densities of primary and secondary parts at high current densities in the primary part coils, it has been proposed to increase the number of turns of the coils constituent of the primary coils or to increase the amount of magnetizable material. Once these measurements were taken, force densities up to about 8 N / cm2 could be obtained in the case of tubular or polysolenoidal linear motors and at an experimental stage. Incidentally, the overall size and weight of the linear motor must be significantly increased for this purpose.
Em Superconductor Science and Technology, vol. 17, n° 5 (Maio 2004), pp. 445-449 foi dado a conhecer um modelo de motor linear em que o estator exibe bobinas primárias em material supercondutor, as quais consistem em bobinas em dupla bolacha em material supercondutor de alta temperatura. Para que, com este motor linear, sejam obtidas densidades de força da ordem de grandeza de 14 N/cm2 foi proposto um actuador equipado com imanes de neodímio-ferro-boro, também ditos imanes de NdFeB. Em alternativa foi pro- 4 ΡΕ2132866 posto um modelo cujo actuador consiste num sólido supercondutor constituído por uma combinação de discos em ferro laminado e óxido de ítrio-bário-cobre, abreviado para YBCO.In Superconductor Science and Technology, vol. 17, no. 5 (May 2004), pp. 445-449 discloses a linear motor model in which the stator exhibits primary coils in superconducting material, which consist of double wafer coils in high temperature superconducting material. In order to obtain power densities of 14 N / cm2 with this linear motor, an actuator equipped with neodymium-iron-boron magnets, also called NdFeB magnets, has been proposed. Alternatively, a model whose actuator consists of a solid superconducting constituted by a combination of laminated iron discs and yttrium-barium-copper oxide, abbreviated to YBCO, has been proposed.
Em EP 0 425 314 Al foi dado a conhecer um motor linear, em que tanto as bobinas na parte primária como as bobinas na parte secundária consistem em bobinas curvas em selim dispostas sucessivamente, estando axialmente deslocadas umas em relação às outras. 0 campo magnético das bobinas em selim nas partes primária e secundária é perpendicular ao eixo de movimento.EP 0 425 314 A1 discloses a linear motor, wherein both the coils in the primary part and the coils in the secondary part consist of curved coils in saddles disposed successively, being axially offset relative to each other. The magnetic field of the saddle coils in the primary and secondary parts is perpendicular to the axis of movement.
Ao presente invento subjazia a tarefa de disponi-bilizar uma máquina linear que, com recurso a medidas estruturais no que toca às partes primária e/ou secundária, possibilitasse densidades de força nitidamente superiores mesmo quando a dimensão total da referida máquina fosse pequena .The present invention underlayes the task of providing a linear machine which, by means of structural measures with respect to the primary and / or secondary parts, allows for significantly higher force densities even when the overall size of said machine is small.
De acordo com o invento, este objectivo foi alcançado na medida em que a disposição das bobinas primárias na parte primária foi executada enquanto enrolamento com entreferros de ar preenchidos por elementos intercalares em material não magnetizável e em que as bobinas secundárias são constituídas por enrolamentos supercondutores de alta temperatura, o que permite alcançar densidades de força superiores a 18 N/cm2. A máquina linear é preferencialmente executada enquanto motor linear em que, por intermédio dos campos magnéticos gerados na seuquência da alimentação em 5 ΡΕ2132866 corrente das bobinas primárias e secundárias, é produzido um movimento relativo entre as partes primária e secundária, o qual se processa paralelamente ao eixo, sendo o invento doravante descrito prioritariamente com referência a esta forma de execução preferencial. No entanto, a máquina linear também pode ser executada enquanto gerador em que uma corrente induzida nas bobinas primárias em resultado do movimento relativo entre as partes primária e secundária é convertida para efeito da produção de energia. As densidades de força elevadas podem ser alcançadas, quando da execução da máquina linear enquanto motor linear, mediante a alimentação das bobinas primárias com corrente alternada e das bobinas secundárias com corrente continua. Uma vez que a disposição das bobinas primárias, e preferencialmente também a disposição das bobinas secundárias, foi executada enquanto enrolamento com entreferros de ar, ou seja, uma vez que não há material magnetizável nem disposto entre as bobinas primárias, nem disposto entre as bobinas secundárias, a densidade de força não está, na máquina linear de acordo com o invento, limitada por uma magnetização de saturação .According to the invention, this object has been achieved in that the arrangement of the primary coils in the primary part has been performed while winding with air gaps filled with inter-elements in non-magnetizable material and wherein the secondary coils are constituted by superconducting coils of high temperature, which allows to reach strength densities superior to 18 N / cm2. The linear machine is preferably executed as a linear motor in which a relative movement between the primary and secondary parts is produced by means of the magnetic fields generated in the direction of the supply in 5 ΡΕ2132866 of the primary and secondary coils, which runs parallel to the primary and secondary coils. axis, the invention hereinafter being described primarily with reference to this preferred embodiment. However, the linear machine can also be executed as a generator in which a current induced in the primary coils as a result of the relative movement between the primary and secondary parts is converted for the purpose of producing energy. The high power densities can be achieved when running the linear machine as a linear motor by supplying the primary coils with alternating current and the secondary coils with direct current. Since the arrangement of the primary coils, and preferably also the arrangement of the secondary coils, has been performed while winding with air gaps, i.e., since there is no magnetizable material nor disposed between the primary coils nor disposed between the secondary coils , the force density is not limited by a saturation magnetization in the linear machine according to the invention.
Ao contrário do que sucede com os motores lineares conhecidos, a carga de corrente da parte primária, ou seja, a corrente circunferencial ao longo do comprimento, axial da parte primária pode ser aumentada, sem que tenha de haver aumento da dimensão total do motor linear, pelo que a densidade de força, que é proporcional à carga de corrente, aumenta sem que ocorram efeitos de saturação. De 6 ΡΕ2132866 preferência não se encontra disposto nenhum ferro nem qualquer outro material magnetizável entre as bobinas primárias para efeito da focalização do fluxo magnético. A utilização, na parte secundária, de bobinas secundárias em material supercondutor de alta temperatura, cuja temperatura de transição é superior a 77 K, permite que as bobinas secundárias possam ser alimentadas com correntes continuas elevadas de modo a produzirem campos magnéticos extremamente fortes no receptáculo. Uma outra vantagem do motor linear de acordo com o invento reside na possibilidade de poder ser alcançada uma curva característica da força quase rec-ta, uma vez que, em virtude da configuração em enrolamento com entreferros de ar, as forças de relutância praticamente desaparecem, o que leva a que não ocorram forças de bloqueio. Adicionalmente, e uma vez que se prescinde de imanes permanentes e de material magnetizável nas partes primária e secundária, e que, por conseguinte, não são exercidas quaisquer forças magnéticas quando é desligada a alimentação em corrente, o motor linear pode ser sujeito de modo relativamente simples a manutenção ou limpeza.In contrast to known linear motors, the current load of the primary part, i.e. the circumferential current along the axial length of the primary part, can be increased without having to increase the overall size of the linear motor , so that the force density, which is proportional to the current load, increases without saturation effects occurring. From 6 ΡΕ2132866 preferably no iron or any other magnetizable material is disposed between the primary coils for effect of focusing the magnetic flux. The secondary use of secondary coils in high temperature superconducting material whose transition temperature is greater than 77 K allows the secondary coils to be fed with high continuous currents so as to produce extremely strong magnetic fields in the receptacle. A further advantage of the linear motor according to the invention resides in the possibility that a characteristic curve of the almost reciprocating force can be achieved since, due to the winding winding configuration, the forces of reluctance practically disappear, which leads to no blocking forces occurring. In addition, since permanent magnets and magnetizable material are dispensed in the primary and secondary parts, and therefore, no magnetic forces are exerted when the current supply is switched off, the linear motor may be subject relatively simple maintenance or cleaning.
Uma carga de corrente elevada na parte primária pode ser alcançada em particular na medida em que seja escolhido um valor elevado para o factor de enchimento da parte primária. 0 factor de enchimento é definido como a razão entre o volume das bobinas primárias percorridas por corrente eléctrica e o volume dos elementos intercalares bem como dos espaços intercalares eventualmente presentes entre as bobinas primárias. 0 factor de enchimento da parte 7 ΡΕ2132866 primária é preferencialmente superior a 70% e com particular preferência superior a 85%. Bobinas primárias sucessivas segundo a direcção axial são preferencialmente alimentadas com correntes alternadas cuja fases estão desfasadas de 120°, o que transforma o motor linear num motor de corrente alternada trifásica. No caso dos motores de corrente alternada bifásicos ou multifásicos com mais de três fases, o desfasamento pode ser ajustado ou seleccionado diferentemente .A high current load in the primary part can be achieved in particular as long as a high value is chosen for the primary part fill factor. The filling factor is defined as the ratio between the volume of the primary coils driven by electric current and the volume of the interleaved elements as well as of the interspaces between the primary coils. The fill factor of the primary part 7? 2 232866 is preferably greater than 70% and more preferably greater than 85%. Successive primary coils in the axial direction are preferably fed alternating currents whose phases are offset by 120 °, which transforms the linear motor into a three-phase alternating current motor. In the case of biphasic or multiphase alternating current motors with more than three phases, the phase shift can be adjusted or selected differently.
Na forma de execução preferida, as bobinas primárias podem exibir enrolamentos cujo material constituinte é um condutor normal, em particular um condutor em alumínio ou cobre, pelo que as bobinas primárias podem ser eventualmente arrefecidas de modo económico, por exemplo com recurso a um líquido ou gás. Um arrefecimento realizado com recurso a água ou óleo, por exemplo, revela-se particularmente vantajoso. O condutor normal pode em particular consistir num condutor oco cujo canal interno pode ser utilizado para efeito do arrefecimento. Em alternativa pode fabricar-se os enrolamentos das bobinas primárias a partir de um supercondutor, em particular um supercondutor de alta temperatura. A alimentação em corrente deverá então ser realizada com corrente alternada com uma frequência inferior a 100 Hz, e em particular inferior a 50 Hz, de modo a manter baixas as perdas de corrente alternada nas bobinas primárias que, de outro modo, teriam de ser compensadas com recurso a um arrefecimento suplementar. Com o motor linear de acordo com o invento podem podem ser alcançadas densida- ΡΕ2132866 des de força superiores a 18 N/cm2 e até, caso sejam utilizados supercondutores tanto nas bobinas primárias como nas secundárias, superiores a 25 N/cm2. Para efeito do arrefecimento das bobinas primárias também podem ser montadas condutas de arrefecimento passíveis de serem percorridas por um meio refrigerante entre as bobinas ou ser deixadas abertas fendas entre as bobinas primárias e eventualmente entre os elementos intercalares. Os elementos intercalares podem ter sido configurados em forma de segmento anular, o que permite que um meio refrigerante possa alcançar os lados frontais das bobinas primárias, os quais não se encontram cobertos pelos segmentos anulares. Os elementos intercalares podem estender-se ao longo da altura radial da bobina primária em toda ou parte da sua extensão total ou ainda estar separados segundo essa direcção por espaços intercalares. Os elementos intercalares também podem exibir estruturas em grade ou consistir em corpos ocos ou grades tridimensionais que exibam uma estabilidade mecânica adequada, permitindo simultaneamente a passagem de um fluxo de meio refrigerante.In the preferred embodiment, the primary coils may exhibit windings whose constituent material is a normal conductor, in particular an aluminum or copper conductor, whereby the primary coils can optionally be cooled economically, for example by means of a liquid or gas. A cooling carried out using water or oil, for example, proves to be particularly advantageous. The normal conductor may in particular consist of a hollow conductor whose inner channel may be used for the purpose of cooling. Alternatively, the windings of the primary coils may be manufactured from a superconductor, in particular a high temperature superconductor. The current supply should then be carried out with alternating current with a frequency of less than 100 Hz, and in particular less than 50 Hz, in order to keep losses of alternating current in the primary coils which would otherwise have to be compensated with additional cooling. With the linear motor according to the invention, densities of greater than 18 N / cm2 can be achieved and even if superconductors are used in both the primary and secondary coils in excess of 25 N / cm2. For the purpose of cooling the primary coils, cooling ducts can also be mounted which can be traversed by a cooling medium between the coils or openings are left open between the primary coils and optionally between the interleaved elements. The interleaved elements may have been configured in the form of an annular segment, which allows a cooling medium to reach the front sides of the primary coils, which are not covered by the annular segments. The interlayers may extend along the radial height of the primary coil in all or part of its total extent or are further separated in that direction by interspaces. The interlayers may also exhibit grid structures or consist of hollow bodies or three-dimensional grids that exhibit adequate mechanical stability while allowing passage of a flow of coolant medium.
Também é preferido que as bobinas primárias e os elementos intercalares estejam envolvidos por uma culatra preferencialmente fabricada num material não magnetizável, em particular um material de construção leve e isento de ferro. Alternativamente, a culatra pode ser constituída por um material que contenha ferro e/ou magnetizável para efeito da blindagem do campo magnético. A culatra e os elementos intercalares podem formar uma estrutura de suporte das 9 ΡΕ2132866 bobinas primárias. Para permitir que os elementos intercalares também fiquem ancorados segfundo a direcção axial, a culatra pode exibir na sua parede interna ranhuras nas quais os elementos intercalares encaixam de modo a que fique estabelecida uma união mecânica em que as forças sejam transferidas por via de uma complementaridade formal. A ancoragem dos elementos intercalares na culatra permite que, segundo a direcção axial, as bobinas primárias se apoiem nos elementos intercalares e, em consequência, que a culatra pode absorver as forças magnéticas exercidas segundo a direcção axial sobre as bobinas primárias. É particularmente vantajoso que a parte primária tenha sido configurada de modo a ser isenta de ferro de modo a que, concomitantemente com uma ausência de efeitos de saturação, seja obtida uma forma especialmente leve de construção da parte primária e, em consequência, da máquina linear. Alternativamente, a culatra pode exibir um material magnetizável destinado ao retorno do fluxo magnético.It is also preferred that the primary coils and the interleaved elements are surrounded by a breech preferably made of non-magnetizable material, in particular light iron-free construction material. Alternatively, the breech can be constituted by a material which contains iron and / or magnetizable for the effect of shielding the magnetic field. The breech and interlayers may form a support structure of the 9 ΡΕ2132866 primary coils. In order to allow the interleaved elements also to be anchored according to the axial direction, the breech can display on its internal wall grooves in which the interim elements engage so that a mechanical union is established in which the forces are transferred by means of a formal complementarity . The anchoring of the intersecting elements in the yoke allows the primary coils to rest on the intermediate elements in the axial direction and, consequently, that the yoke can absorb the magnetic forces exerted in the axial direction on the primary coils. It is particularly advantageous that the primary part has been configured so as to be iron free so that, in conjunction with an absence of saturation effects, a particularly light form of construction of the primary part and consequently of the linear machine . Alternatively, the breech may exhibit a magnetizable material intended to return the magnetic flux.
As bobinas primárias podem encontrar-se incorporadas numa massa de moldação sintética, de preferência numa resina sintética, em particular numa resina epóxido. Numa forma vantajosa de execução do invento, os elementos intercalares são igualmente em material sintético, de preferência numa resina sintética, em particular numa resina epóxido, podendo apresentar-se reforçados com fibras, por exemplo mediante a intercalação de material em fibra de vidro.The primary coils may be incorporated in a synthetic casting mass, preferably in a synthetic resin, in particular in an epoxy resin. In an advantageous embodiment of the invention, the interlayers are also in synthetic material, preferably in a synthetic resin, in particular in an epoxy resin, and may be reinforced with fibers, for example by intercalation of glass fiber material.
As bobinas secundárias supercondutoras são porta- 10 ΡΕ2132866 doras de densidade de corrente superiores a 50 A/mm2, com maior preferência superiores a 70 A/mm2, e em particular superiores a 100 A/mm2, o que permite produzir um campo magnético excepcionalmente forte. As densidades de fluxo que podem ser produzidas pela parte secundária podem alcançar nos entreferros de ar valores superiores a 0,5 Tesla, de preferência superiores a 1 Tesla, e atingir eventualmente os 2 Tesla. A parte secundária exibe de preferência um corpo de suporte cilíndrico, sobre ou encostados a cuja superfície lateral externa se encontram dispostas as bobinas secundárias. O corpo de suporte da parte secundária foi preferencialmente fabricado a partir de um material não magnético, por exemplo um plástico reforçado com fibras. O corpo de suporte também pode ser fabricado a partir de, ou ser constituído por, um material magnético, por exemplo ferro. Numa forma de execução, as bobinas secundárias foram configuradas de forma anular, montadas no corpo de suporte da parte secundária de modo a ficarem concentricamente dispostas em torno do eixo do mesmo, e fixadas. Quando em funcionamento, e mediante uma interconexão em que se verifica uma oposição de polaridades, as bobinas secundárias sucessivas segundo a direcção axial são alimentadas com corrente contínua em oposição de fase. Mais uma vez, e a fim de materializar o enrolamento com entreferros de ar, podem estar dispostos elementos separadores anulares não magnetizáveis entre as bobinas secundárias, de encontro aos quais estas últimas se apoiam segundo a direcção axial. Nesta forma de execução, as bobinas secundárias sucessivas exibem preferencialmente entre si um intervalo pelo menos duplo e de 11 ΡΕ2132866 preferência superior à largura segundo a direcção axial de cada uma das bobinas secundárias Também se pode ter várias bobinas reunidas num pacote, as quais exibem todas a mesma direcção de fluxo da corrente (ligadas em série ou em paralelo) . Neste caso, somente os pacotes de bobinas sucessivos são alimentados com correntes de sentidos opostos.The superconductive secondary coils are 10 ΡΕ2132866 current density densifiers in excess of 50 A / mm², more preferably in excess of 70 A / mm², and in particular in excess of 100 A / mm², which allows the production of an exceptionally strong magnetic field . The flow densities which can be produced by the secondary part can achieve in air gaps values greater than 0.5 Tesla, preferably greater than 1 Tesla, and possibly reach the 2 Tesla. The secondary part preferably exhibits a cylindrical support body, on or against which the secondary side coils are disposed. The supporting body of the secondary part has preferably been manufactured from a non-magnetic material, for example a fiber reinforced plastic. The support body may also be fabricated from, or be comprised of, a magnetic material, for example iron. In one embodiment, the secondary coils have been annularly configured, mounted to the support body of the secondary part so as to be concentrically arranged about the axis thereof and secured. When in operation, and through an interconnection where there is polarity opposition, the successive secondary coils in the axial direction are fed with direct current in phase opposition. Again, and in order to materialize winding with air gaps, non-magnetizable annular spacer elements may be disposed between the secondary coils, against which the latter coexist in the axial direction. In this embodiment, the successive secondary coils preferably exhibit at least a double gap and preferably greater than the width according to the axial direction of each of the secondary coils. It is also possible to have several coils assembled in one package, which all exhibit all the same current flow direction (connected in series or in parallel). In this case, only the successive coil packs are fed with opposite sense currents.
Em seguida descreve-se outras vantagens e carac-teristicas do invento com recurso aos exemplos de execução de um motor linear enquanto máquina linear esquematicamente representados nos desenhos anexos. Nestes são mostrados:Other advantages and features of the invention are described below with reference to the examples of running a linear motor as a linear machine schematically represented in the accompanying drawings. These are shown:
Figura 1 em corte longitudinal, uma primeira forma de execução de um motor linear de acordo com o invento com uma parte primária e uma parte secundária; eFigure 1 is a longitudinal section, a first embodiment of a linear motor according to the invention with a primary part and a secondary part; and
Figura 2 em perspectiva, a parte secundária representada na Figura 1.Figure 2 is a perspective view of the secondary part shown in Figure 1.
Na Figura 1 encontra-se representado um motor linear, à totalidade do qual foi atribuído o número de referência 10, composto por uma parte primária 20 e por uma parte secundária 30. A parte primária 20 delimita um receptáculo cilíndrico 11 no interior do qual a parte secundária 30 se pode deslocar ao longo de um eixo central A. No exemplo de execução representado, a parte primária 20 exibe cinco bobinas primárias 21 dispostas concentricamente em torno do eixo A. No desenho apenas se encontra representada parte do motor total, uma vez que, por exemplo numa 12 ΡΕ2132866 situação de funcionamento trifásico, o número de bobinas ou pacotes de bobinas tem de ser divisível por 3. As bobinas primárias 21 consistem em bobinas de discos anulares que podem ser alimentadas com corrente alternada desfasada, por exemplo, de 120° ou corrente trifásica por intermédio de contactos eléctricos não representados situados na sua periferia, de modo a permitir que as bobinas primárias 21 produzam no receptáculo 11 um campo magnético viajante. Para efeito da sua estabilização mecânica, os enrolamentos em condutor em cobre constituintes das bobinas primárias 21 encontram-se incorporados numa resina de epóxido a título de material de moldação. Entre as bobinas primárias encontram-se igualmente dispostos elementos intercalares 22, aos quais se encontram apoiados segundo a direcção axial os lados frontais das bobinas primárias 21. Os elementos intercalares 22 estendem-se segundo a direcção radial desde a superfície lateral interna (no que respeita ao motor linear) das bobinas primárias 21 até à superfície lateral externa (no que respeita ao motor linear) das mesmas. Adjacente às superfícies laterais externas (no que respeita ao motor linear) dos elementos intercalares 22 e das bobinas primárias 21 encontra-se disposta uma culatra 23 na qual se encontram ancorados (de forma não representada) os elementos intercalares 22. A culatra 23 e os elementos intercalares 22 dão assim forma a uma estrutura de suporte mecânico das bobinas primárias 21 acolhidas no seu interior. A culatra 23 em torno da parte primária 20 pode ser constituída por um material não magnetizável ou, para 13 ΡΕ2132866 efeito de uma blindagem, por um material magnetizável. Neste último caso pode mesmo ocorrer um aumento da densidade de força. Quando a culatra é constituída por um material electricamente condutor é preferível que, para minorar as perdas de corrente alternada, este consiste num material laminado ou que apresente fendas.In Figure 1 there is shown a linear motor, all of which has been assigned the reference numeral 10, consisting of a primary part 20 and a secondary part 30. The primary part 20 delimits a cylindrical receptacle 11 within which the the secondary part 30 can move along a central axis A. In the illustrated embodiment, the primary part 20 shows five primary coils 21 arranged concentrically about the axis A. In the drawing only part of the total motor is shown, once that, for example in a three-phase operating situation, the number of coils or packages of coils has to be divisible by 3. The primary coils 21 consist of annular disc coils which can be fed with out-of-phase alternating current, for example from 120 ° or three-phase current through unrepresented electrical contacts located on its periphery, so as to allow the primary coils in the receptacle 11 a traveling magnetic field. For the purpose of their mechanical stabilization, the copper conductor windings constituting the primary coils 21 are incorporated into an epoxy resin by way of molding material. Between the primary coils are also disposed interlayers 22, to which are supported in the axial direction the front sides of the primary coils 21. The interlayers 22 extend in the radial direction from the inner side surface (as regards to the linear motor) of the primary coils 21 to the outer side surface (with respect to the linear motor) thereof. Adjacent the lateral side surfaces (with respect to the linear motor) of the intermediate elements 22 and the primary coils 21 is disposed a yoke 23 in which the interleaved elements 22 are anchored. interim elements 22 thus form a mechanical support structure of the primary coils 21 received therein. The yoke 23 about the primary part 20 may be constituted by a non-magnetizable material or, for the purpose of a shielding, by a magnetizable material. In the latter case, an increase in force density may also occur. When the breech is constituted by an electrically conductive material, it is preferred that in order to reduce the losses of alternating current, it consists of a laminated or cracked material.
Os elementos intercalares 22 podem ser constituídos por exemplo por um material sintético reforçado com fibras, não sendo, portanto, magnetizáveis, em conformidade com o invento, pelo que o campo magnético produzido no re-ceptáculo 11 quando da alimentação em corrente das bobinas primárias 21 não fica limitado por uma magnetização de saturação dos elementos intercalares 22. Entre as bobinas primárias 21 não se encontra essencialmente nenhum material magnetizável passível de conduzir uma corrente. A disposição das bobinas primárias 21 que se sucedem segundo a di-recção axial corresponde por conseguinte ao chamado enrolamento com entreferros de ar. Estes "entreferros" entre as bobinas primárias 21 encontram-se preenchidos com os elementos intercalares 22 eventualmente parcialmente ocos e/ou exclusivamente destinados a servir de isolamento. Na parte primária 20 podem portanto ser utilizadas bobinas primárias muito largas e com um número de voltas elevado relativamente ao comprimento segundo o eixo. Uma vez que o volume dos elementos intercalares 22 apenas constitui uma fracção do volume das bobinas primárias 21, o factor de enchimento da parte primária com enrolamentos portadores de corrente e por conseguinte produtores de um campo magnético (viajante) 14 ΡΕ2132866 alcança um valor superior a 50%. Deste modo, as bobinas primárias 21 da parte primária 20 podem ser alimentadas com uma corrente mais forte. A parte secundária 30 representada nas Figuras 1 e 2 exibe bobinas secundárias concentricamente dispostas em torno do eixo A e fabricadas a partir de um supercondutor de alta temperatura. Estas bobinas secundárias 31 supercondutoras a temperaturas criogénicas superiores a 20 K são alimentadas com corrente continua, estando duas bobinas secundárias dispostas sucessivamente segundo a direcção axial electricamente ligadas de modo a que as suas fases sejam opostas. Os enrolamentos supercondutores de alta temperatura ou bobinas secundárias 31 na parte secundária 30 podem ser executados enquanto bobinas em bolacha ou em dupla bolacha, enquanto pacotes destas bobinas em bolacha ou enquanto solenoides curtos. Entre as bobinas secundárias 31 também se encontram montdos elementos distanciadores 32, igualmente dispostos de modo concêntrico relativamente ao eixo A. Os elementos distanciadores 32 foram fabricados a partir de uma resina de epóxido reforçada com fibra de vidro e encontram-se dispostos em torno de um tubo de suporte 33 cilíndrico e oco, juntamente com as bobinas secundárias 21. O tubo de suporte 33 pode ter sido fabricado em material magnético macio, tal como ferro macio, ou consistir igualmente num material sintético reforçado com fibra de vidro. Para que as bobinas secundárias possam ser arrefecidas com, por exemplo, azoto líquido, o criostato 34 foi provido de de um tubo de parede dupla 36. O espaço interca- 15 ΡΕ2132866 lar, não representado, entre as paredes externa "quente" e interna "fria" do tubo de parede dupla 36 foi evacuado a fim de impedir ou atenuar a entrada de calor no criostato 34 a partir do seu exterior. Em torno da parede "fria" pode eventualmente ter sido ainda colocada uma camada isolante numa das películas super-isolantes disponíveis no comércio. A transferência de forças entre a parte secundária 32 e o criostato 34 processa-se por intermédio de elementos de transferência 35a e 35b esquematicamente representados. Os elementos de transferência 35a e 35b são constituídos por um material dotado de uma condutibilidade térmica fraca e uma resistência mecânica elevada, por exemplo um material sintético reforçado com fibra de vidro. As bobinas secundárias 31 podem ser alimentadas com densidades de corrente eléctrica que podem atingir os 100 A/mm2. Com o motor linear 10 composto por uma parte primária 20 em que as bobinas primárias foram configuradas como enrolamento com entreferros de ar e por uma parte secundária 30 construída de acordo com o invento podem ser alcançadas, no receptá-culo 11 entre as partes primária e secundária, densidades de força superiores a 18 N/cm2a fim de deslocar a parte secundária 30 paralelamente ao eixo A.The interleaved elements 22 can for example be constituted by a fiber-reinforced synthetic material and are therefore not magnetisable in accordance with the invention, whereby the magnetic field produced in the rebar 11 when supplying the primary coils 21 is not limited by saturation magnetization of the interleaved elements 22. Between the primary coils 21 there is essentially no magnetizable material capable of conducting a current. The arrangement of the primary coils 21 succeeding in the axial direction therefore corresponds to the so-called winding of air. These " between the primary coils 21 are filled with the partially hollow interlayers 22 and / or exclusively intended to serve as insulation. In the primary part 20 therefore, very wide primary coils can be used and with a number of turns high with respect to the length along the axis. Since the volume of the interleaved elements 22 constitutes only a fraction of the volume of the primary coils 21, the factor of filling of the primary part with current-carrying coils and hence producers of a (traveling) magnetic field 14 ΡΕ2132866 reaches a value greater than 50%. In this way, the primary coils 21 of the primary part 20 can be fed with a stronger current. The secondary part 30 shown in Figures 1 and 2 shows secondary coils concentrically arranged about the axis A and manufactured from a high temperature superconductor. These superconductive secondary coils 31 at cryogenic temperatures of over 20 K are fed DC, two secondary coils being successively disposed in the axial direction electrically connected so that their phases are opposite. The high temperature superconducting windings or secondary coils 31 in the secondary part 30 can be executed as wafer or double wafer coils, while packets of these wafer coils or as short solenoids. Between the secondary coils 31 there are also mounted spacing elements 32, also arranged concentrically with respect to the axis A. The spacing elements 32 were fabricated from a glass fiber reinforced epoxy resin and are arranged around a cylindrical support tube 33 together with the secondary coils 21. The support tube 33 may have been made of soft magnetic material, such as soft iron, or may also consist of a glass fiber reinforced synthetic material. In order for the secondary coils to be cooled with, for example, liquid nitrogen, the cryostat 34 has been provided with a double wall tube 36. The interchangeable space, not shown, between the hot " external " walls " and internal " cold " of the double wall tube 36 has been evacuated in order to prevent or attenuate the heat input in the cryostat 34 from its exterior. Around the " cold " an insulating layer may still have been placed in one of the commercially available super-insulation films. The transfer of forces between the secondary part 32 and the cryostat 34 is effected by means of transfer elements 35a and 35b schematically shown. The transfer elements 35a and 35b are composed of a material having poor thermal conductivity and high mechanical strength, for example a glass fiber reinforced synthetic material. The secondary coils 31 may be supplied with current densities up to 100 A / mm 2. With the linear motor 10 composed of a primary part 20 in which the primary coils have been configured as winding with air gaps and by a secondary part 30 constructed in accordance with the invention can be achieved, in the receptacle 11 between the primary parts and force densities in excess of 18 N / cm2 in order to move the secondary part 30 parallel to axis A.
Da leitura da descrição precedente e das reivindicações dependentes, o técnico da especialidade certamente depreenderá a possibilidade de numerosas modificações deste motor linear. O número indicado de bobinas primárias e secundárias dispostas segundo a direcção axial é meramente exemplificativo, podendo variar, em particular em função da 16 ΡΕ2132866 largura das bobinas e do comprimento total do motor linear. As bobinas secundárias também podem estar dispostas em espiral. A culatra e o tubo de suporte da parte secundária também podem ter sido fabricados a partir de um material que contenha ferro. 0 tubo de suporte da parte secundária pode ser omitido caso as bobinas secundárias tenham sido firmemente ligadas entre si juntamente com os elementos distanciadores, por exemplo mediante impregnação sob vácuo. Alternativamente, o tubo de suporte da parte secundária pode ter sido fabricado a partir de um material magnetizável laminado e dotado de fendas ou então também a partir de, por exemplo, um material sintético reforçado com fibra de vidro. No tubo de suporte da parte secundária percorrida por corrente continua também podem ser utilizados materiais magnéticos duros. Em particular no caso de serem utilizadas bobinas primárias fabricadas cujo material constituinte é um condutor normal, o seu arrefecimento pode ser indirecta ou, de preferência, directamente efectuado com recurso a água, óleo, gás ou azoto (N2) . Alternativamente, pode ser utilizado um arrefecimento adequado com recurso a gás ou a seco, o qual permite uma temperatura de funcionamento inferior a 77 K, por exemplo 20 K ou 30 K. As bobinas primárias podem ter sido equipadas com enrolamentos de um condutor multifilamentar composto por filamentos isolados um a um e torcidos em conjunto (dito em alemão "Litzendraht", fio em cordão). Também é possível ter-se uma segunda parte primária no interior da parte secundária a fim de aumentar ainda mais a densidade de força. Também é possivel que seja a parte primária com o campo magnético produzido quando da 17 ΡΕ2132866 sua alimentação com corrente a deslocar-se paralelamente ao eixo em vez da parte secundária. A parte primária pode estar disposta no interior e a parte secundária no exterior do motor linear. Caso a máquina linear seja configurada como gerador, a parte secundária alimentada com corrente contínua pode ser deslocada mecanicamente, por exemplo com recurso a uma bóia que emerge e submerge de uma central de aproveitamento da energia das ondas. A corrente eléctrica induzida nos enrolamentos da parte primária por intermédio deste movimento da parte secundária poderá ser utilizado para a produção de energia, pelo que a máquina linear funcionará então como gerador. 0 movimento de vaivém paralelo ao eixo também pode ser executado pela parte primária em vez da parte secundária no caso de esta última ser localmente fixa, sem que se exceda o âmbito de protecção das reivindicações dependentes.From reading the foregoing description and dependent claims, the person skilled in the art will certainly appreciate the possibility of numerous modifications of this linear motor. The indicated number of primary and secondary coils disposed in the axial direction is merely exemplary and may vary, in particular as a function of the 16 ΡΕ2132866 width of the coils and the overall length of the linear motor. The secondary coils may also be arranged in a spiral. The breech and supporting tube of the secondary part may also have been fabricated from a material containing iron. The supporting tube of the secondary part can be omitted if the secondary coils have been firmly connected together with the spacing elements, for example by impregnation under vacuum. Alternatively, the support tube of the secondary part may have been fabricated from a laminated and slotted magnetizable material or else also from, for example, a glass fiber reinforced synthetic material. Also, hard magnetic materials may be used in the support tube of the secondary part traversed by direct current. In particular in the case where primary coils are used whose constituent material is a normal conductor, their cooling may be indirect or preferably directly effected using water, oil, gas or nitrogen (N2). Alternatively, a suitable gas or dry cooling can be used, which allows an operating temperature of less than 77K, for example 20K or 30K. The primary coils may have been equipped with windings of a multifilament composite conductor by single stranded filaments and twisted together (said in German " Litzendraht ", stranded strand). It is also possible to have a second primary part inside the secondary part in order to further increase the force density. It is also possible that it is the primary part with the magnetic field produced when 17 ΡΕ2132866 is fed with current to move parallel to the axis instead of the secondary part. The primary part may be arranged on the inside and the secondary part on the outside of the linear motor. If the linear machine is configured as a generator, the DC-powered secondary part can be mechanically displaced, for example by means of a float that emerges and submerges from a power plant. The electric current induced in the windings of the primary part through this movement of the secondary part can be used for the production of energy, whereby the linear machine will then function as a generator. The reciprocating movement parallel to the axis can also be performed by the primary part instead of the secondary part in case the latter is locally fixed, without exceeding the scope of protection of the dependent claims.
Lisboa, 14 de Outubro de 2010Lisbon, October 14, 2010
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